深度好文:自動駕駛中的雷射雷達究竟有何特效?

　　雷射雷達的定義

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/342062.htm

　　雷射雷達最早的定義是 LIDAR，英文為 Light Deteation and Ranging，中文意思是「光的探測和測距」。

　　其實更準確的一個定義是 LADAR：LAser Detection and Ranging，即「雷射的探測和測距」。這是在 2004 年提出的定義，更符合雷射雷達的概念。

　　雷射雷達實際上是一種工作在光學波段(特殊波段)的雷達，它的優點非常明顯：

　　1、具有極高的解析度：雷射雷達工作於光學波段，頻率比微波高2～3個數量級以上，因此，與微波雷達相比，雷射雷達具有極高的距離解析度、角解析度和速度解析度;

　　2、抗幹擾能力強：雷射波長短，可發射發散角非常小(μrad量級)的雷射束，多路徑效應小(不會形成定向發射，與微波或者毫米波產生多路徑效應)，可探測低空/超低空目標;

　　3、獲取的信息量豐富：可直接獲取目標的距離、角度、反射強度、速度等信息，生成目標多維度圖像;

　　4、可全天時工作：雷射主動探測，不依賴於外界光照條件或目標本身的輻射特性。它只需發射自己的雷射束，通過探測發射雷射束的回波信號來獲取目標信息。

　　但是雷射雷達最大的缺點——容易受到大氣條件以及工作環境的煙塵的影響，要實現全天候的工作環境是非常困難的事情。

雷射雷達分類

　　雷射雷達的分類，如果從體制上劃分，主要有直接探測雷射雷達和相干探測雷射雷達。實際上，目前我們提到的，包括自動駕駛、機器人、測繪用到的雷射雷達，基本上屬於這種直接探測類型的雷射雷達。有比較特殊的，比如測風、測速之類的雷達，一般會採用相干體制。

　　按應用分類，我們可以分得更多，比如：雷射測距儀、雷射三維成像雷達、雷射測速雷達、雷射大氣探測雷達，等等。

　　不管是單線雷射雷達、多線雷射雷達或測繪雷射雷達，我們基本上可以將其劃分到雷射三維成像雷達的範疇。

　　一個雷射三維成像雷達，實際上它需要得到兩個核心信息：目標距離信息以及目標角度信息。

　　如果我們把它的三維坐標準確定下來，我們需要得到它的距離、方位角、俯仰角信息。然後我們根據距離、方位角度、俯仰角度三個信息，將目標的三維坐標點計算出來。

　　一般而言，通過對編碼器進行測量來獲取角度信息的技術很成熟。我們更關心的是，雷射雷達的距離信息是怎麼獲取的。

　　雷射三維成像雷達可以通過直接測距、直接測角的技術得到目標的三維點雲數據，並且獲得的數據本身就是三維數據，不需要通過大量運算和處理才生成目標三維圖像，而且雷射測距有非常高的精度。

　　所以，雷射三維成像雷達是目前能獲取大範圍三維場景圖像效率最高的傳感器，也是目前能獲取三維場景精度最高的傳感器。

　　雷射測距方法

　　目前，我們通常能見到的測距方法，從大類上可以分為：雷射飛行時間(Time of Fly，TOF)法以及三角法。

　　雷射飛行時間法可以分為兩類，一類是脈衝調製(脈衝測距技術)，一類是對雷射連續波進行強度的調製，通過相位差來測量距離信息的相位測距。

　　我們能在市面上見到的測距儀，或者說單線、多線雷射雷達，基本上都是採用這三類測距方法。

　雷射脈衝測距技術

　　雷射脈衝測距技術的原理非常簡單：通過測量雷射脈衝在雷達和目標之間來回飛行時間獲取目標距離的信息。這裡用了一個基準，就是光的速度。所有的測量都必須有一個基準，對於一束雷射來說有兩個基準：速度和頻率(兩個最準的基準)，因為 TOF 用的基準就是雷射的飛行速度。

　　上述提到的三種測距方式，我認為技術難點最大的是脈衝測距的方式。但它帶來的優點非常明顯：測量速度非常快。由於通過高峰值的雷射來進行測量，其抗強光的幹擾能力非常強。

　　缺點是測距解析度提升難度高，探測電路難度大。舉個例子，如果要做到相位測距 1.5 個毫米的解析度，我們就需要把計時時鐘解析度做到 10 個皮秒，也就相當於 100G 帶寬，這是一個非常難的技術。

　　雷射相位測距

　　雷射相位測距，比如說常見的手持式雷射測距儀，採用的就是相位測距的方式來實現。它主要通過測量被強度調製的連續波雷射信號在雷達與目標之間來回飛行產生的相位差獲得距離信息。

　　這種技術最大的優點：測距解析度非常高，目前一般市面上的相位測距儀都可以達到毫米量級解析度。

　　缺點是測量速度比脈衝測距慢，畢竟我們把一個相位差測準，至少要做上幾十甚至上百個周期，實際上就相當於把它的測量時間變相拉長，那麼它的測量速度相對來說比較低。此外，它的測量精度比較容易受到目標形狀運動影響。如果在測量的光斑裡，兩個目標一前一後，實際上它測出來的具體信息，是這兩個目標距離的一個平均值，而不是前一個目標信息或後一個目標信息。

　　但在脈衝測距裡，就很容易將這樣的信息分開。比如，一個雷射脈衝，如果我們能夠把脈衝寬度做到 10 個納秒，那麼我們就可以把一個目標前後相距三十釐米的目標，通過多次回波的方法將其區分出來。

　　這種方式在相位測距裡就很難把它區分出來。因為在測量過程中，它的時間會比較長，目標運動帶進來的距離信息，把它引入到測量值裡，實際上它測的是一個平均距離信息，而不是實時信息。但是雷射脈衝測距，實際上是當前位置實時的信息。

　　這也是為什麼車用或機器人用的雷射雷達往往會採用雷射脈衝的測距技術，而不採用相位測距技術。

　　三角法測距

　　三角法測距就是通過測量雷射照射點在相機中的成像位置獲得距離信息。三角法測距最大的有優點就是技術難度低，成本也很低，在近距離測距精度也很高。比如工業用可以做到百微米測距精度。

　　但缺點是，它的精度會隨著距離的增加逐漸變差，基本上沒法與脈衝測距以及相位測距相比。

　　另外一點，因為 CMOS 相機必須要用一個連續的雷射同步進行照明，它的平均功率相對來說比較低，抗幹擾能力會非常強，這種測距方式一般適合室內近距離工作，而不適合在戶外強光背景或者室內強光背景下工作。

　　三角法測距比較適合用於機器人等對性能要求不高的場景。

　　從上圖我們可以看出，脈衝測距除了成本和技術難度比較大以外，它在其他各方面的性能都比較優秀。當然，它的測距精度會比相位測距精度略低一些。但是這種精度，按目前的技術，我們基本上可以達到釐米量級，甚至是幾個毫米量級的測距精度，基本上能滿足我們多場合的使用要求。

　　我們主要的方向就是用脈衝測距的方式來做單線雷達，包括多線雷達。

　　什麼是單線雷射雷達

　　目前單線雷射雷達產品，主要有 SICK 公司和 HOKUYO 公司。

　　單線雷射雷達，實際上是一個高同頻脈衝雷射測距儀，加上一個一維旋轉掃描。單線雷射雷達的特點：

　　1、只有一路發射和一路接收，結構相對簡單，使用方便;

　　2、掃描速度高、角度解析度高;

　　3、體積、重量和功耗低;

　　4、可靠性更高;

　　5、成本低;

　　單線雷射雷達能幹什麼?

　　在自動駕駛領域，我們基本上看到的都是多線雷射雷達，單線雷射雷達到底能幹什麼?

　　如上圖，美國 DARPA 自動駕駛挑戰賽裡的參賽車，第一個是 2005 年史丹福大學名字叫做 Stanly 的參賽車，這是當年獲得冠軍的參賽車。另一個是卡耐基梅隆大學的參賽車。